CN109301470A - 低雷达截面的极化可重构圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种低雷达截面的极化可重构圆极化天线,主要解决现有可重构天线结构复杂、加工成本高的不足。其包括多层介质基板,其中第一介质基板下表面印制有圆形金属反射板;第二介质基板的上表面印制带有十字形缝隙的圆形金属贴片,下表面印制有指数渐进形金属耦合馈电线;第三介质基板的下表面印制有左、右两个矩形金属贴片,上表面印制有圆形金属面;第四介质基板开有十字形通槽;第一、第二两个介质基板粘贴为下层结构,第三、第四两个介质基板粘贴为上层结构,该上、下两层结构之间通过中心轴固定,且可相互旋转,实现可重构。本发明结构简单、加工成本低、增益高,并能实现雷达截面减缩,可用于无线通信系统中的低雷达截面场景。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域,具体涉及一种极化可重构圆极化天线,可用于无线通信系统中的低雷达截面积场景。
背景技术
圆极化天线广泛应用于各种无线通信系统,例如全球卫星导航系统,射频识别等,圆极化天线可以有效地对抗极化失配和多径干扰。一般的天线在经过设计后,其按照设计结果完成固定的功能,在一些特殊的通信设备上,需要安装多种不同功能的天线以完成特定要求,这使得通信设备上的天线需要占用更多的空间,可重构天线可以动态地完成各种不同要求的任务,使得单个天线集中了多种功能,这样通信设备上所需要的天线个数减少,因而减少了天线所占据的空间。
可重构天线在设计时使用一些电子元器件、光学器件、特殊材料、特殊机械结构等,使天线能动态地改变其工作特性,对天线的频率特性、方向图和极化方式进行控制,其中:
利用电子元器件,包括利用电调谐、变容二极管开关、PIN二极管和射频微机电的开关特性,来控制天线的极化或频率,以实现天线可重构,这些可重构天线具有很强的灵活性,但是这类天线加工复杂,需要外加偏置电压或者其他供电设备,且对外加设备要求高。
利用光学器件,是包括利用光学开关等可以动态地改变天线的电长度,实现天线可重构,使用光学开关有助于减少开关数量并且降低开关偏置线的影响,但是这种方法成本高、难以集成。
利用一些特殊材料,是用于天线的加工制作,使得天线具有可调特性。例如液晶或具有磁场可调特性的铁氧体能实现天线可重构,但这种方法所需材料特殊,制作成本高,且可重构能力有限。
利用一些特殊的机械结构,是通过改变馈电线与已切角的矩形贴片的相对位置进行可重构,这种机械式可重构方法制作成本低,有利于大批量加工,但制作的天线增益较低,工作频带较窄,不具有雷达截面减缩功能,而且在天线上层添加雷达截面减缩结构时会影响天线的辐射,降低天线的增益,若将雷达截面减缩结构放置于天线贴片周围,这会使得天线地板增大,从而增大了天线的雷达截面,不利于天线雷达截面减缩。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足,提出一种低雷达截面的极化可重构圆极化天线,以在5.5GHz~12.0GHz的频带范围内减缩雷达截面,并进一步提高天线的增益,简化天线结构,降低制作成本。
为实现上述目的,本发明包括:自下而上的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板;
所述第一介质基板为圆形,下表面印制有与其完全重合的圆形金属反射板;
所述第二介质基板为圆形,其上表面印制带有十字形缝隙的圆形金属贴片,下表面印制有指数渐进形金属耦合馈电线,且与x轴正方向成45°夹角,与y轴正方向成45°夹角;
所述的第三介质基板为圆形,其下表面左边印制有左矩形金属贴片,右边印制有右矩形金属贴片,其上表面印制有圆形金属面;该介质基板的中心开有由长槽和短槽交叉形成的第一个十字形通槽,该十字形通槽位于圆形金属贴片的十字形缝隙正上方,且短槽沿x方向,长槽沿y方向;
所述的第四介质基板为圆形,该介质基板中心开有由长槽和短槽交叉形成的第二个十字形通槽,该十字形通槽位于第一个十字形通槽的正上方且与其重合,两十字形通槽的中心均留有安装中心轴的基座。
作为优选,所述指数渐进性金属馈电线,总长度为20mm,用于对天线耦合馈电,其由馈电端口向十字形缝隙渐变,即经过10mm的指数渐进变化,使宽度由4mm渐变为2mm。
作为优选,所述圆形金属贴片,圆心与第二介质基板的圆心重合,其上设有十字形缝隙,该十字形缝隙由沿x方向缝隙和沿y方向缝隙交叉形成,两者长度和宽度均相等,且交叉点位于圆形金属贴片的圆心。
作为优选,所述第一介质基板和第二介质基板通过粘胶粘贴为一体,形成下层结构,第三介质基板和第四介质基板通过粘胶粘贴为一体,形成上层结构,该上、下两层结构之间通过中心轴固定,且使得两者能够相互旋转,从而改变相对位置。
作为优选,所述左矩形金属贴片和右矩形金属贴片尺寸相同,分别位于第三介质基板上第一个十字形通槽的短槽两端,用于遮挡十字形缝隙的其中沿x方向缝隙的两端,通过旋转上层结构,使得左矩形金属贴片和右矩形金属贴片遮挡十字形缝隙中沿不同方向的缝隙,以改变十字形缝隙中沿不同方向的缝隙的长度。
作为优选,所述圆形金属面由八个均呈45°的扇形金属面组成,每个扇形金属面是由相邻结构相互对称,且间距为2.8mm的“S”形金属弯折线构成;所述“S”形金属弯折线,是将N个同心环形金属线截成弧形金属线,并用宽度相同的金属连接线连接构成的,弯折线宽度为1.0~1.5mm,间距为0.7~1.2mm,最内部同心圆环的内径为5mm,15≤N≤25。
本发明具有如下优点:
1.本发明通过机械旋转能实现天线可重构,使天线工作状态能在左旋圆极化与右旋圆极化之间转换,相比于现有的可重构技术,本发明具有结构简单、制作成本低的优点。
2.本发明通过在天线上层添加由圆形金属面以及第三、第四介质基板共同构成的结构,不仅降低了天线的雷达截面,而且提高了天线的增益。
仿真结果表明本发明相比于现有的可重构天线,具有高增益、低雷达截面的优点。
附图说明
图1是本发明天线的结构分层图;
图2是图1的侧视图;
图3是图1中第三介质基板上表面结构图;
图4本发明实现可重构的原理图;
图5本发明中的圆形金属面结构示意图;
图6本发明天线在左、右旋圆极化工作状态下的回波损耗S11仿真曲线图;
图7本发明天线在左、右旋圆极化工作状态下的轴比仿真曲线图;
图8是本发明在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz时,左旋圆极化工作状态的增益仿真图;
图9是本发明在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz时,左旋圆极化工作状态的增益仿真图;
图10是本发明在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz时,右旋圆极化工作状态的增益仿真图;
图11是本发明在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz时,右旋圆极化工作状态的增益仿真图;
图12是本发明天线和现有无上层结构天线的单站雷达截面仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细描述:
参照图1、图2和图3,本发明给出如下三种实施例。
实施例1,工作于左旋圆极化状态的低雷达截面的极化可重构圆极化天线。
本实例包括四个圆形介质基板,每个圆形介质基板的上下表面印制有形状不同的金属贴片,其中:
第一介质基板1,其下表面印制有金属反射板5,该金属反射板与第一介质基板的下表面完全重合,用于增强天线的前向增益;
第二介质基板2,其上表面印制有圆形金属贴片7,该圆形金属贴片半径为15~20mm,本实例取但不限于16mm,在圆形金属贴片上设有十字形缝隙13,该十字形缝隙沿x方向和沿y方向的长度L1均为17~20mm,宽度W1均为1.5~2.2mm相等,本实例取但不限于L1=19mm,W1=1.8mm。十字形缝隙的中心点位于圆形金属贴片7的圆心,该第二介质基板2的下表面印制有指数渐进形金属耦合馈电线6,用于对天线耦合馈电,增大天线带宽,该金属耦合馈电线总长度为20mm,馈电处距离圆心15.5mm,其由馈电端口向第二介质基板2下表面的圆心方向渐变,即经过10mm的指数渐进变化,使宽度由4mm渐变为2mm,且与x轴正方向成45°夹角,与y轴负方向成45°夹角;
第三介质基板3,其中心有第一个十字形通槽11,第一个十字形通槽11由沿x方向的短槽和沿y方向的长槽交叉而成,该短槽长度L2为12~15mm,宽度W2为1.5~2.2mm,长槽长度L3为17~20mm,宽度W3为1.5~2.2mm,本实例取但不限于L2=13.5mm,W2=1.8mm,L3=19mm,W3=1.8mm,该十字形通槽的中心留有安装中心轴的基座。该第三介质基板3的下表面左边印制有左矩形金属贴片8,右边印制有右矩形金属贴片9,两者尺寸相同,长边均为L4,宽边均为W4,本实例取L4=L3-L2,W4=W3。左、右矩形贴片分别位于第三介质基板3第一个十字形通槽11的短槽两端,用于遮挡覆盖十字形缝隙13沿x轴方向的缝隙,使得十字形缝隙13沿x轴方向的缝隙的长度短于沿y轴方向的缝隙,即将沿x轴方向的缝隙长度由19mm变为13.5mm,沿y轴方向的缝隙的长度仍为19mm,此时天线处于左旋圆极化工作状态;该第三介质基板3的上表面印制有圆形金属面10,其由八个均呈45°的扇形金属面组成,每个扇形金属面是由相邻结构间距为2.8mm且相互对称的“S”形金属弯折线构成。
所述“S”形金属弯折线,如图5所示,它是将N个同心环形金属线截成弧形金属线,并用宽度相同的金属连接线连接构成,弯折线宽度W5为1.0~1.5mm,间距D1为0.7~1.2mm,本实施例取但不限于W5=1.3mm,D1=0.9mm,最内部同心圆环的内径为5mm,15≤N≤25。本实施例取但不限于N=19。
第四介质基板4,其上开有第二个十字形通槽12,该第二个十字形通槽12位于第三介质基板上的第一个十字形通槽11的正上方且与其重合,即两者尺寸相同,在第二个十字形通槽12的中心留有安装中心轴的基座15。
第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4自下而上放置,其中:第一介质基板1的厚度为2.0mm、半径为48mm,第二介质基板2的厚度为1.6mm、半径为48mm,均采用相对介电常数为2.2的罗杰斯5880材料;第三介质基板3的厚度为0.8mm、半径为48mm,
第四介质基板4的厚度为0.8mm、半径为48mm,均采用相对介电常数为2.1的特氟龙材料。
第一介质基板1的上表面与第二介质基板2的下表面粘贴为一体,形成下层结构,第三介质基板3的上表面与第四介质基板4的下表面粘贴为一体,形成上层结构,该上、下两层结构之间通过中心轴14固定,形成一个天线整体,且上层结构能够相对下层结构旋转,从而改变两者的相对位置。
实施例2,工作于右旋圆极化状态的低雷达截面的极化可重构圆极化天线。
本实施例的总体结构与实施例1的总体结构相同,所不同的是第三层介质板位置结构不同,描述如下:
第三介质基板3,其开有第一个十字形通槽11,第一个十字形通槽11其宽度为1.8mm,长臂为19mm,短臂为13.5mm,在第一个十字形通槽11的中心留有安装中心轴的基座15。该第三介质基板3的下表面左边印制有左矩形金属贴片8,右边印制有右矩形金属贴片9,两者尺寸相同,其长边均为5.5cm,宽边均为1.8cm,分别位于第三介质基板3第一个十字形通槽11的短槽两端,此时左、右矩形贴片覆盖十字缝隙沿x轴方向的缝隙,当上层结构旋转90°之后,左、右矩形贴片也随之旋转90°,此时两矩形贴片覆盖十字形缝隙13沿y轴方向的缝隙,使得十字形缝隙13沿y轴方向的缝隙的长度短于沿x轴方向的缝隙,即将沿y轴方向的缝隙长度由19mm变为13.5mm,沿x轴方向的缝隙的长度仍为19mm,使天线处于右旋圆极化工作状态,其旋转过程如图4所示,其中图4(a)为实施例1中第二介质基板上表面俯视图,其还包含第三介质基板下表面的两个矩形贴片,4(b)为4(a)的放大图,其表示左、右矩形贴片遮挡沿x轴方向的缝隙;将处于图4(b)状态的天线上层结构顺时针旋转45°之后,结果如图4(c)所示,此时左、右矩形贴片未遮挡十字形缝隙;将处于图4(c)状态的天线上层结构继续顺时针旋转45°之后,结果如图4(d)所示,此时左、右矩形贴片遮挡沿y轴方向的缝隙。
以下通过仿真实验,对本发明的效果作进一步说明:
1、仿真条件:
仿真利用商业软件Ansoft HFSS 17.0。
2.仿真内容
仿真1,在5.5GHz到8.5GHz范围分别对本发明实施例1和实施例2的回波损耗S11进行仿真,结果如图6所示。从图6可见,实施例1与实施例2在6.55GHz~7.65GHz的频带范围内均满足回波损耗S11<10dB的要求,且实施例1和实施例2各自的匹配效果良好;
仿真2,在6.8GHz到7.5GHz范围内对本发明实施例1与实施例2辐射远区场方向图的轴比进行仿真,结果如图7所示。从图7可见,实施例1中,天线工作状态为左旋圆极化,且在7.10GHz~7.26GHz的频带范围内轴比小于3dB;实施例2中天线的工作状态为右旋圆极化,且在7.03GHz~7.26GHz的频带范围内轴比小于3dB;
仿真3,对本发明实施例1在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz的辐射远区场方向图的增益进行仿真,结果如图8所示。从图8可见,左旋圆极化最大增益能达到10.13dB;
仿真4,对本发明实施例1在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz的辐射远区场方向图的增益进行仿真,结果如图9所示。从图9可见,本实例的左旋圆极化最大增益能达到10.13dB;
仿真5,对本发明实施例2在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz的辐射远区场方向图的增益进行仿真,结果如图10所示。从图10可见,本实例的右旋圆极化最大增益能达到8.46dB;
仿真6,对本发明实施例2在俯仰角θ从0°到180°,方位角频率分别为7.10GHz、7.18GHz、7.26GHz的辐射远区场方向图的增益进行仿真,结果如图11所示。从图11可见,本实例的右旋圆极化最大增益能达到9.07dB;
仿真7,对本发明实施例1和实施例1中去除上层结构的天线,在入射波为极化球面波,频率从5.5GHz到12.0GHz,俯仰角θ=0°,方位角时,两者的单站雷达截面进行仿真,得到的结果如图12所示。从图12可见,实施例1在5.5GHz~12.0GHz的频率范围内相比较于实施例1中去除上层结构的天线具有雷达截面减缩效果。
Claims (10)
1.一种低雷达截面的极化可重构圆极化天线,包括多层介质基板和印制在介质基板上的各种金属贴片,其特征在于:
多层介质基板包括自下而上的第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、第三介质基板(3)和第四介质基板(4),第一介质基板(1)和第二介质基板(2)通过粘胶粘贴为一体,形成下层结构,第三介质基板(3)和第四介质基板(4)通过粘胶粘贴为一体,形成上层结构,该上、下两层结构之间通过中心轴(14)固定,使得两者能够相互旋转;
所述第一介质基板(1)为圆形,下表面印制有与其完全重合的圆形金属反射板(5);
所述第二介质基板(2)为圆形,其下表面印制有指数渐进形金属耦合馈电线(6),且与x轴、y轴正方向分别形成45°夹角,上表面印制有圆形金属贴片(7)。
所述的第三介质基板(3)为圆形,其下表面左边印制有左矩形金属贴片(8),右边印制有右矩形金属贴片(9),其上表面印制有圆形金属面(10);该介质基板的中心开有由长槽和短槽交叉形成的第一个十字形通槽(11),该十字形通槽位于圆形金属贴片(7)的十字形缝隙正上方,且短槽沿x方向,长槽沿y方向;
所述的第四介质基板(4)为圆形,该介质基板中心开有由长槽和短槽交叉形成的第二个十字形通槽(12),该十字形通槽位于第一个十字形通槽(11)的正上方且与其重合。
2.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述指数渐进性金属馈电线(6),总长度为20mm,用于对天线耦合馈电,其由馈电端口向第二介质基板(2)的圆心渐变,即经过10mm的指数渐进变化,使宽度由4mm渐变为2mm。
3.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述圆形金属贴片(7),半径为15~20mm,圆心与第二介质基板(2)的圆心重合,其上设有十字形缝隙(13),该十字形缝隙由沿x方向的缝隙和沿y方向的缝隙交叉形成,且缝隙中心点位于圆形金属贴片(7)的圆心,每个方向的缝隙长度均为17~20mm,宽度均为1.5~2.2mm。
4.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述左矩形金属贴片(8)和右矩形金属贴片(9)尺寸相同,分别位于第三介质基板(3)第一个十字形通槽(11)的短槽两端,用于遮挡十字形缝隙(13)的沿x轴方向缝隙的两端,通过旋转上层结构,使得左矩形金属贴片(8)和右矩形金属贴片(9)遮挡十字缝隙(13)中沿不同方向的缝隙,以改变十字形缝隙(13)中沿不同方向缝隙的长度。
5.根据权利要求1所述的天线,其特征在于:
所述圆形金属面(10)由八个均呈45°的扇形金属面组成,每个扇形金属面是由相邻结构相互对称,且间距为2.8mm的“S”形金属弯折线构成;
所述“S”形金属弯折线,是将N个同心环形金属线截成弧形金属线,并用宽度相同的金属连接线连接构成的,弯折线宽度为1.0~1.5mm,间距为0.7~1.2mm,最内部同心圆环的内径为5mm,15≤N≤25。
6.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,每个十字形通槽的短槽长度为12~15mm,宽度为1.5~2.2mm,长槽长度为17~20mm,宽度为1.5~2.2mm,两十字形通槽的中心均留有安装中心轴的基座(15)。
7.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第一介质基板(1),采用厚度为2.0mm、半径为48mm、相对介电常数为2.2的罗杰斯5880介质板。
8.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第二介质基板(2),采用厚度为1.6mm、半径为48mm、相对介电常数为2.2的罗杰斯5880介质板。
9.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第三介质基板(3),采用厚度为0.8mm、半径为48mm、相对介电常数为2.1的特氟龙介质板。
10.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第四介质基板(4),采用厚度为0.8mm、半径为48mm、相对介电常数为2.1的特氟龙介质板。
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